知识窗▏Argo浮标及其应用

Argo浮标通俗称为“Argo全球海洋观测网”，见下图所示。自Argo计划实施以来，人们对于究竟使用“ARGO”还是“Argo”来命名该计划而感到很困惑。“ARGO”源自Dean Roemmich教授在1999年海洋观测计划前提出的名为“Array for Real-time Geostrophic Oceanography”项目的缩写，其中文含义为“地转海洋学实时观测阵”。该项目提议与后来Ray Schmitt博士给GOSAMOR（全球海洋盐度观测项目）建议的项目进行合并，随后停止使用缩写“ARGO”，改用“Argo”(Argo源于希腊神话中英雄Jason所乘的船的名字)。

Argo计划的内容与目的Argo计划的实施，则如气象观测中使用的探空气球一样，可以方便地获取海洋内部的海流、温度和盐度等资料，故而有助于了解全球海洋各层的物理状态，也如同气象学上可以画出同时的天气图那样，能监视海洋各个时刻的运动状态，从而可大大加深对海洋内部温、盐度垂直结构和环流，以及能量和水分平衡过程的了解，并可揭示出海－气相互作用的机理，改进对模式初始场确定的盲目性，进一步完善海－气耦合模式，提高对长期天气预报和短期气候预测的能力。由此可见，Argo计划的实施有着重大的科学意义。阿尔戈计划将提供全球海洋2000m深度以浅的次表层温、盐度资料。世界大洋环流实验（WOCE）也曾进行过全球海洋观测，但其花了7年时间，动用了大量船只，才得以完成全球的观测任务。而Argo计划实际上是一个实时的、海洋上层的WOCE计划，它将每隔10天提供一组全球海洋状态的资料。人们利用这些资料，并结合覆盖全球海洋表面的卫星观测，可以达到提高海洋、天气业务预报精度和科学研究水平之目的。这些资料将直接有助于提高对与ENSO有关的海洋、天气灾害（如洪水、干旱等）预报的能力，还将有助于提高海洋对气候的作用，以及其他与ENSO事件相似的，如太平洋十年振荡（PDO）、北大西洋振荡（NAO）、北极振荡（AO）和南极绕极波（ACW）等气候和海洋现象的认识，从而能对大尺度大洋环流，也包括海洋内部的质量、热量和淡水输送平均状况和变化过程进行全球性描述。Argo资料还可以对大洋上层的演变过程及海洋－气候变化的模态（如热量和淡水的贮存和输运等）进行细致的描述；还可以通过对海面以下温、盐度垂直结构及参考层流速的测量来提升杰森卫星高度计资料的使用价值，并为解译由高度计获得的海面高度资料提供足够的覆盖范围和分辨率。Argo计划将为数据同化建立一个前所未有的数据库，从而可以帮助人们揭示海洋的物理状态，以及对预报模式进行初始化；实时的全球海洋业务预报亦将变为现实。这个数据库还将经受新一代全球海－气耦合模式的连续性测试。通过测试可以了解耦合模式中海洋分量的变化，有助于提高相应的预测大气变化的能力。因此，没有Argo计划就不可能对已有的模式进行改进。Argo全球海洋观测网的建成，也正如天气观测中用了大量的无线电探空仪资料，可以准确地预报3～5d内的天气情况一样，Argo资料将为人们更准确地进行短期气候预报作出贡献。

Argo浮标的工作原理众所周知，任何物体在水中实现沉、浮运动通常有三种途径，一是改变物体的体积而重量保持不变；二是改变物体的重量而体积不变；三是增加或减少对物体所施加的外力。Argo浮标的设计则采用了第一种途径，即浮标在水中沉浮依靠改变其内部体积来实现。浮标的沉浮功能主要依靠液压驱动系统来实现。液压系统则由单冲程泵、、压力和高压管路等部件组成，皮囊装在浮标体的外部，有管路与液压系统相连。当泵体内的油注入皮囊后会使皮囊体积增大，致使浮标的浮力逐渐增大而上升。反之，将皮囊里的油抽回，皮囊体积缩小，浮标浮力随之减小，直至重力大于浮力，浮标体逐渐下沉。若在浮标的控制微机中输入按预定动作要求编写的程序，则微机会根据测量的深度参数控制下潜深度、水下停留、上浮、剖面参数测量、水面停留和数据传输，以及再次下潜等工作环节，从而实现浮标的自动沉浮、测量和数据传输等功能。根据这一原理设计的浮标主要由可变体积的水密耐压壳体、机芯、液压驱动装置、、控制/数据采集/存储电路板、数据传输终端（PTT）和电源等部分组成，其外形与内部结构如下图所示。

Argo浮标剖面测量过程这种自持式剖面自动循环探测仪的设计寿命为3～5年。如果不出意外的话，一个Argo浮标每年可以提供约36个剖面的观测资料。目前，该浮标及其应用的剖面循环探测技术只有少数几个国家（美国、法国和加拿大）有能力生产。PALACE、APEX、PROVOR和SOLO等型号的自动剖面探测仪是各国在实施Argo计划中应用较为广泛的4种颇具代表性的Argo浮标。当浮标被海洋科学工作者投放在海洋中的某个区域后，根据上述工作原理，它会自动潜入2000米深处的等密度层上，随深层海流保持中性漂浮，到达预定（约10天）后，它又会自动上浮，并在上升过程中利用自身携带的各种进行连续剖面测量，测量海水温、盐度等要素。当浮标到达海面后，通过定位与数据传输卫星系统自动将测量数据传送到卫星地面接收站，经信号转换处理后发送给浮标拥有者。浮标在海面的停留时间约需6～12小时，当全部测量数据传输完毕后，浮标会再次自动下沉到预定深度，重新开始下一个循环过程。如下图所示。

Argo浮标的布放Argo浮标的布放也十分简单，一俟浮标通过测试程序，证明浮标处于良好工作状态，无需专业人员在场即可在海上布放。Argo浮标布放的方式有多种多样，比较通常的方式是利用飞机空投，适用于在一些偏远的海区，如下图所示。也可以用定期来往于全球贸易航线上数以百计的商船或其它机会船(VOS)布放。当然，利用专业调查船施放会使浮标工作更具有可靠性，观测资料会更有说服力，见下图。因为在用专业调查船布放浮标时，可以利用船载温盐深仪(CTD)和高精度实验室计等对浮标观测资料进行现场比较和校正。这种浮标最大的优点是一旦施放，它将持续自动运行而无需人为维护。Argo观测网的布点既不能太稀疏，也不可能太密集。最终选择了在全球海洋中布放3000个浮标，观测深度为2000m的设计目标。考虑到卫星高度计的光谱空间尺度随着纬度的增加会缩短的事实，要求在高纬度海区增加浮标的布放密度，而在赤道海域则可稀疏一些。即在60°N以北海域，其浮标的布设密度要比赤道海域增加2倍。但就平均而言，Argo观测网将由每隔约3个经纬度布设一个浮标，总计约有3000个Argo剖面浮标组成。

世界各国Argo浮标的研究应用Argo全球海洋观测网建设受到了世界各沿海国家、大气科学家的青睐，被誉为“海洋观测手段的一场革命”，实现了长期、自动、实时和连续获取大范围、深层海洋资料的能力，可从根本上弥补目前天气预报中对海洋内部信息缺少了解的局面，从而会在很大程度上提高天气预报的精确度。事实上，Argo浮标早已被广泛应用于海洋科学研究、海洋资源开发、海洋环境保护和海洋军事等活动中。随着科学的进步，人们已经认识到海洋的作用对气候预测更为关键。此外，海洋也是了解全球变化的重点区域。为此，联合国政府间海洋学委员会(IOC)一直在推动GOOS计划。但在海洋中建立像陆地上一样的定点观测站几乎是不可能的。像为监测厄尔尼诺而建立的“热带大气海洋观测网锚碇系列(TAO)”，一来观测层次少，二来太昂贵，三来不易维持。1998年，美国和日本等国家的大气、海洋科学家推出了一个全球性的海洋观测计划，目的是要借助最新开发的一系列高新海洋技术（如Argo剖面浮标、卫星通讯系统和数据处理技术等），建立一个实时、高分辨率的全球海洋中、上层监测系统，以便能快速、准确、大范围地收集全球海洋上层的海水温度和盐度剖面资料，有助于了解大尺度实时海洋的变化，提高气候预报的精度，有效防御全球日益严重的气候灾害（如飓风、龙卷风、台风、冰暴、洪水和干旱等）。应运而生的想法是利用足够的剖面浮标，虽然它们是漂流的，但其观测对全球海洋能有足够的覆盖面。据了解，在国际Argo计划发起之前，美国Webb研究公司(世界上最早商业制造Argo浮标的厂家)就为世界上8个国家的25个实验室(研究所)提供了约1100个类似的浮标。通常，每个浮标能在5年（或5年以上）期间重复200次以上每隔10天的循环观测。Argo计划的推出，迅速得到了包括澳大利亚、加拿大、法国、德国、日本、韩国等10余个国家的响应和支持，并已成为全球气候观测系统（GCOS）、全球大洋观测系统（GOOS）、全球气候变异与观测试验（CLIVAR）和全球海洋资料同化试验（GODAE）等大型国际观测和研究计划的重要组成部分。由于海洋观测费用高昂，全球海洋观测业务系统乐意并且鼓励其他渠道所取得的海洋数据提供给业务系统，以让全世界共享。自Argo计划实施以来，各成员国已经布放了超过10000个浮标，目前仍有约3900个浮标在海上正常工作。Argo计划明确规定，所有数据准实时地发送给各国的天气预报中心及两个全球Argo资料中心（GDAC，位于美国和法国），并通过它们无条件免费向广大用户提供。目前，Argo每年在南大洋获得的冬季观测剖面已经超出过去100年获得的剖面数量总和。全球海洋数据库中在南大洋（30ºS以南）的温、盐度剖面大部分来自于Argo。下图是参与Argo浮标计划的各国收集到的剖面采样资料。

我国的Argo浮标研究应用我国在2002开始进行Argo浮标的研究与应用，已经在太平洋、印度洋等海域投放了374个Argo剖面浮标。目前有132个浮标仍在海上正常工作,中国Argo大洋观测网初步建成。中国Argo计划的总体目标是，通过引进国际上新一代、先进的沉浮式海洋观测浮标（即Argo剖面浮标），施放于邻近我国的西北太平洋海域（少量浮标将视情形布放到东印度洋和南大洋海域），建成我国新一代海洋实时观测系统(Argo)中的大洋观测网，使中国成为国际Argo计划中的重要成员国。 由于Argo浮标可在水下长时间随海水流动而漂移，并连续工作，故可方便地获取漂移沿程的大量海洋环境要素资料，对沿海国的权益亦会构成一定的威胁。从这一点来讲，我国也迫切需要掌握和应用这一技术，以便为捍卫国家权益服务。就Argo浮标的国产化而言，国内相关专家学者已经提出的方案，从通信方式、体制和定位、配重等方面进行深入分析与研究，表明基于北斗卫星导航定位系统的ARGO浮标方案可行性。同时，能共享全球海洋中3000个Argo浮标资料，丰富我国海洋和气象界承担的相关研究项目的资料源，并为该系统的近海观测网建设提供强有力的技术支撑，即通过大洋观测网建设，以此来了解和掌握该高新海洋观测技术的性能和特点，走技术引进、消化吸收和自行研制之路，使未来大洋观测网的维持由国产Argo浮标代替，而近海观测网则完全采用国产Argo浮标组成，最终建成我国自成系统的海洋实时观测网络，为我国的海洋研究、海洋开发、海洋管理和其它海上活动等提供实时观测资料和产品。为此，我国进行五个研究课题的前沿科学研究，分别为：①Argo数据同化及多源资料再分析；②太平洋副热带上层海洋结构的形成与变异；③太平洋西边界流与中国近海的热盐交换；④热带太平洋和印度洋上层海洋的季内到年际变化；⑤西北太平洋海洋环境及热带短期气候可预测性研究。最终目标是要在西北太平洋和热带上层海洋结构及其可预测性，以及海洋上层结构在台风和厄尔尼诺预测中的作用等问题的研究中取得一批原创性成果，从而为区域性海洋环境预报和短期气候预测提供科学依据，促进并提高我国对海洋与气候监测及预报水平；并以此作为我国物理海洋科学赶超世界先进水平的一个突破口，培养一支从事深海大洋科学研究的高水平科技人才队伍。

参考资料[1] Argo计划，百度百科.[2]中国Argo浮标实时资料，.[3] Argo计划的概述，中国百科网.[4] Argo动态与科普，.[5]，等，.[6]Argo浮标，百度贴吧.

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